（通信与信息系统专业论文）双模终端的电源管理策略研究与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着系统集成技术的不断发展，嵌入式系统的功能日益强大，应用也日益广泛。 如今嵌入式系统己经融入人们的生活中，随处可见，如卫星、个人数字助理p d a 、 音乐手机、m p 3 等。尽管在很多嵌入式系统上使用的是可充电电池，而且电池技术 的发展也提高了嵌入式系统上可储蓄的电能，但是，在人们对嵌入式系统的功能要 求越来越高的情况下，嵌入式系统的电能越发显得紧张。特别是双模双待移动终端， 对电能的需求远远高于普通嵌入式设备，在保证系统性能、保证用户体验的前提下， 需要有效的电源管理技术来尽可能的节省电能消耗，从而提高系统的待机时间，增 强产品在市场上的竞争力。 本论文基于w m d o w sc e 嵌入式操作系统，研究t d s c d m a & c d m a 2 0 0 0 双模 双待终端的电源管理方案，并在实际设备中成功实现，主要工作如下： ( 1 ) 改进双模双待终端硬件电路，使双模双待终端的电池工作电压范围扩大， 增加终端待机时间。 ( 2 ) 针对t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 双模双待终端显示屏耗电量大的特点， 采用p w m 调节l c d 亮度，以达到节省电能的目的。 ( 3 ) 根据i n t e lx s c a l e 架构硬件特性引入了系统休眠和唤醒技术，其中，使系 统进入休眠模式可采取3 种方式进行：电源按键驱动、电源自管理方式、外部应用 程序。 ( 4 ) 针对本次开发是基于t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的双模双待终端，且 t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 通信模块耗电量大的特点，提出了专门针对t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 通信模块的电源管理方案，并具体实现。 关键词：电源管理，嵌入式系统，x s c a l e 架构，脉宽调制，双模双待终端 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t a st h et e c h n o l o g yo fs y s t e mi n t e g r a t i o nk e e p so nm o v i n gf o r w a r d ，t h ef u n c t i o no f e m b e d d e ds y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o w e r f u l e m b e d d e ds y s t e m sa r ep a r t so fo u r d a l l yl i f en o w , t h e ya r eu s e da l m o s te v e r y w h e r el i k es a t e l l i t e s 、p d a 、c e l l u l a rp h o n e s 、 m p 3 ，e t c 。m o s tp o w e rs u p p l i e so fe m b e d d e ds y s t e m sa r er e c h a r g e a b l eb a t t e r i e s ，t h o u g h t h et e c h n o l o g yo fb a t t e r yi n c r e a s e st h ep o w e rt h a tb a r e r yc o u l ds t o r e , t h ei n c r e a s i n g d e m a n do fp e o p l em a k e st h ep o w e ro fe m b e d d e ds y s t e m sb e c o m em o r ea n dm o r eu p t i g h t e s p e c i a l l y ，t h ed o u b l e - m o d u l e & d o u b l e - w a i t i n gt e r m i n a l ，z h ed e m a n do fp o w e ri sm u c h m o r et h a nc o m m o ne m b e d d e ds y s t e m s s o ，w en e e de f f e c t i v ep o w e rm a n a g e m e n t t e c h n o l o g y t os a v ea sm u c hp o w e ra sp o s s i b l ew h i l es t i l ls a t i s f i e sp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n ta n du s e re x p e r i e n c e i tc a ni n c r e a s et h eu s i n gt i m ea n di n c r e a s et h e c o m p e t e t i o no nm a r k e t n l et h e s i si sb a s e do l lw i n d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，i tr e s e a r c hp o w e r m a n a g e m e n ts c h e m eo ft d s c d m 匕蛾c d n l 屹0 0 0d o u b l e - m o d u l e & d o u b l e - w a i t i n g t e r m i n a l ，a n dr e a l i z e dt h i sp o w e rm a n a g e m e n ts c h e m eo np r a c t i c ee q u i p m e n ts u c c e s s f u l l y id ot h em a i nr e s e a r c hw o r k 硒f o l l o wo i lm yt h e s i s ( 1 ) i m p r o v et h eh a r d w a r ec i r c u i t r yo fd o u b l e m o d u l e & d o u b l e - w a i t i n gt e r m i n a l ( t d s c d m a & c d m a 2 0 0 0 ) ，e x p a n dt h er a n g eo fb a t t e r yv o l t a g e ，i no r d e rt oi n c r e a s et h e t e r m i n a l su s 堍t i m e ( 2 ) a i ma tt h el c dp o w e rc o m s u m i n go fd o u b l e - m o d u l e & d o u b l e - w a i t i n g t e r m i n a l ( t d - s c d m a & c d m a 2 0 0 0 ) i sm u c hm o l e ，iu s ep w m t oa d j u s tb a c k l i g h ti n o r d e rt os a v ee l e c t r i c i t y ( 3 ) i n t r o d u c es y s t e ms l e e pa n dw a k e u pt e c h n o l o g yb a s e do na r c h i t e c t u r eo fi n t e l x s c a l eh a r d w a r ec h a r a c t e r i s t i c ，ib s et h r e em o d e st oe n t e rs l e e pm o d e ：p o w e rb u t t o n d r i v e r 、p o w e rm a n a g e m e n tb yi t s e l f , e x t e r i o ra p p l i c a t i o n ( 4 ) a i ma tz h ec h a r a c t e r i s t i co ft d s c d m am o d u l ea n dc d 姚0 0 0m o d u l e c o m s u m i n gm u c hm o r ee l e c t r i c i t y ，s o ，ia d v a n c et h ep o w e rm a n a g e m e n ts c h e m ea n d r e a l i z a t i o no ft d s c d m am o d u l ea n dc d m a 2 0 0 0m o d u l e k e yw o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n t ，e m b e d d e ds y s t e m ，x s c a l ea r c h i t e c t u r e ，p w m ， d o u b l e - m o d u l e & d o u b l e - w a i t i n gt e r m i n a l i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 双模双待终端电源管理提出的背景 随着系统集成技术的不断发展，嵌入式系统的功能日益强大，应用也日益广泛。 如今，嵌入式系统已经融入人们的生活中，如卫星、个人数字助理p d a 、音乐手机、 m p 3 等。尽管在很多嵌入式系统上使用的是可充电电池，而且电池技术的发展也提 高了嵌入式系统上可储蓄的电能，但是，在人们对嵌入式系统的功能要求越来越高 的情况下，嵌入式系统的电能越来越显得紧张。摩尔定律表明：处理器的性能每1 8 个月就翻一番；与此同时，电池的能量密度每1 0 年才翻一番【l j 。而且，系统性能遵 循另一条法则s h a i l n o n 定律，该定律指出：通讯系统对性能的要求每8 5 个月 就翻一番，这大约是处理器性能发展速度的两倍，是电池寿命发展速度的1 4 倍。对 移动通讯设备而言，低功耗与处理器速度和效率处于同等重要的地位，它可为这类 设备提供所需要的持久性性能。移动通讯设备高计算能力所产生的功耗与其可持续 工作时间之间的矛盾已经越来越突出，低功耗设计是解决这一矛盾的必然要求。 由于移动通信技术的不断发展和人们对移动通信需求的多元化需求，越来越多 的人们对移动通信终端提出了新的需求，即要求能够同时支持两种不同的通信模式， 并且要求终端对这两种通信模式能够实现同时待机功能，因此，越来越多的研发机 构开始研制将不同制式的移动通信技术相结合的双模双待终端，其中，重庆邮电大 学也成立了相应的研发团队，专门研制基于t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的双模双待 终端；由于此双模双待终端同时使用两个通信模块，并且支持两个模块同时处于待 机状态，其耗电量比普通手机终端要高得多，而只靠提高充电电池容量来解决此双 模双待终端对电量的需求是不够的，因此，对双模双待终端进行有效的电源管理显 得极其重要。目前，电源管理技术已经得到了广大研发机构和移动通信终端研发厂 家的普遍重视，而电源管理技术的好坏，即终端的待机时间长短也被广大消费者作 为衡量终端质量的一个重要标准，因此，重庆邮电大学研制的 t d s c d m a & c d m a 2 0 0 0 双模双待终端也把终端的能耗问题纳入急需解决的重要 问题，成为整个t d s c d m a & c d m a 2 0 0 0 双模双待终端研发的关键。 1 2 国内外电源管理技术研究现状 进入2 0 世纪9 0 年代以来，嵌入式技术迅速发展，已经成为通讯和消费产品 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 的共同发展方向。在通讯领域，手机、数字电视、无线网络等新产品已经逐渐进入 人们的日常生活；在个人领域，个人数字助理( p d a ) 已经成为移动计算的新平台。 集网络、控制、信息等多种功能于一身的移动平台是嵌入式系统发展的趋势。随着 需求的不断提升，嵌入式系统在软硬件方面不断面临新的挑战，主要包括：支持不 断增长的功能密度、灵活的网络连接、多媒体信息处理以及轻便的移动性能、延长 系统的待机时间。 电池技术的发展已经远远落后于来自嵌入式系统计算能力和通讯功能需求，在 这种背景下，功耗已经成为可移动设备的关键限制因素。降低功耗就是有效地减小 嵌入式系统的工作电流。当含有嵌入式处理器的系统工作电流达到1 a 时，它已经 基本不可能依赖于电池供电来工作；如果电流降至1 0 0 m a 的数量级，普通电池只 能保证系统连续工作数小时；当电流降至u a 级时，系统就可以长期工作，只需偶 尔更换电池1 2 。因此，我们需要尽可能地提高电能的利用率以节约能量，主要方法 是使用低功耗的器件和采用有效的电源管理措施来降低功耗，并将低功耗设计方法 扩展到可移动设备的各个组成部件。随着便携式产品自身和绿色环保的需要，各家 半导体公司近几年十分重视对低功耗产品的开发，出现了e p s o n 、n e c 等以低功耗 称雄的厂商。但是，并不是所有的产品都能满足市场对低功耗和高性能的需求。就 处理器而言，只有通过现代处理器构架才能获得上述性能，这要求处理器提供灵活 的时钟系统和多种低功耗模式。如：i n t e l 公司的基于x s c a l e 体系结构的p x a 2 7 2 处 理器提供了五个不同的时钟源和六种不同的处理器工作模式，在低功耗方面具有较 大的优势。 嵌入式系统的低功耗设计可以创造很高的社会效益和经济效益，国外发达国家 很早就注重对嵌入式系统的低功耗设计，在我国对于嵌入式系统低功耗设计也正逐 渐被重视起来。然而，由于国内嵌入式系统低功耗设计起步较晚，目前国内嵌入式 系统低功耗设计的水平还不太高，而且大多停留在追求局部、片面的低功耗设计的 层次上，真正整体全面的嵌入式系统低功耗设计理论还没有得到完全的推广与应用 3 1 。在低功耗的电子系统设计中，尤其是移动设备，需要一个纵向的综合设计方案， 从算法设计、系统体系结构到电路布线都需要仔细考虑到功耗因素。如果算法和硬 件的设计考虑周到，嵌入式系统能够实现较低的功耗并且不会牺牲系统的性能1 4 j 。 嵌入式系统低功耗的优化方法可以分为几个层次，自下而上分别是电路级、逻 辑级、寄存器传输级、行为级、算法级和系统级i s 。目前低层次( 电路级和逻辑级) 上的功耗优化方法已比较成熟，只是在具体实现上还有一些需改进的地方；而高层 次( 行为级、算法级和系统级) 的功耗优化技术还处于研究阶段 6 1 。降低嵌入式系 统的功耗涉及到硬件设计、硬件选型、操作系统以及编译程序设计等诸多方面。实 现处理器低功耗的另个方法是动态电源管理。它是一种使系统或系统单元在不工 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 作时进入低功耗的睡眠状态的控制技术。p x a 2 7 2 提供了处理器的睡眠模式，在该 模式下，处理器的功耗降到最低。然而，处理器部件在状态转化时要消耗时间和能 量，只有在空闲时间足够长时进入睡眠状态，才能弥补状态切换所需要的额外时间 和能耗。动态电源管理的核心内容是嵌入式操作系统根据系统的运行情况，决定系 统何时进入低功耗的睡眠状态。目前，国际上有很多动态电源管理算法，基本上可 以分为三类：( 1 ) 基于t i m e o u t 算法。( 2 ) 预测算法。( 3 ) 随机控制算法。这三类 算法的具体内容将在第二章中详细介绍。 1 3w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 1 3 1w i n d o w sc e 嵌入式操作系统介绍 w i n d o w sc e 是一个功能强大的实时嵌入式操作系统，也是微软第一个能够全面 支持中文的w i n d o w sc e 操作系统，适用于快速构建新一代内存少、体积小的智能 设备。不仅如此，w m d o w sc e 也为构建智能移动设备的开发人员提供了新一代的 功能强大嵌入式系统平台，它允许开发人员优化操作系统的内存占用，最小可以降 至2 0 0 k 左右。为了使开发人员能构建功能丰富的移动设备，w i n d o w sc e 提供了对 最新无线技术的支持，例如蓝牙技术和零配置的8 0 2 1 l ，而且它还通过m i c r o s o f t i n t e m e te x p l o r e r 5 5 、w i n d o w sm e d i a ( n m 8 和d i r e c t x 8 提供了全面的多媒体和w e b 浏览体验。w m d o w sc e 支持各种处理器产品家族，包括x 8 6 、x s c a l e 、a r m 、m i p s 和s h 系列，因此，它允许开发人员为他们自己的项目选择最理想的硬件。 1 3 2w i n d o w sc e 嵌入式操作系统特点及主要功能 具有灵活的电源管理功能，包括睡眠唤醒模式。 使用了对象存储( o b j e c ts t o r e ) 技术，包括文件系统、注册表及数据库。 拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，也支持直接的局域网连接 以及拨号连接，并提供与p c 、内部网以及i n t e m e t 的连接，w i n d o w sc e 还 提供与w i n d o w s9 x n t 的整合和通信。 支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级 别的i s r 完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。 更好的线程响应能力。 2 5 6 个优先级别。可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 的灵活性。 w i n d o w sc e 的a p i 是w i n 3 2a p i 的一个子集，支持近1 5 0 0 个w i n 3 2a p i 。 在w i n d o w sc e 系统中，所提供的a p i 也可以随具体应用的需求而定。 w i n d o w sc e 嵌入式系统的软、硬件具有可裁减性，系统的移植性强。 w i n d o w sc e 的图形界面相当出色。拥有基于m j c r o s o t ti n t e r n e te x p l o r e r 的 浏览器，w i n d o w sc e 甚至还能支持诸如手写体、声音识别、动态影像和3 d 图形等多种应用。 w i n d o w sc e 是一种多任务的操作系统，可以同时执行多个任务，并在它们 之间来切换。w i n d o w sc e 其实就是w i n d o w s 的简化版，我们可以通过我们 熟悉的w i n d o w s 的操作方式来控制w i n d o w sc e ，w i n d o w sc e 也支持很多 软件如p o c k e tw o r d 、p o c k e te x c e l 等v j 。 1 4 论文研究内容以及章节安排 本论文基于w i n d o w sc e 嵌入式操作系统，研究t d s c d m a & c d m a 2 0 0 0 双模 双待终端的电源管理方案，并在实际设备中成功实现，主要内容包括： 第一章是“绪论 ，主要介绍了双模双待终端电源管理的研究背景和目前国内外 对电源管理的研究现状，然后介绍了本项目所采用的w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 的特点和主要功能。 第二章是“电源管理技术策略研究”，主要介绍了目前主流的电源管理算法和动 态电源管理的实现技术。 第三章是“双模双待终端硬件平台设计 ，主要介绍了双模双待终端硬件平台的 具体设计。 第四章是“双模双待终端电源管理软件架构”，主要介绍了电源管理软件架构的 组成和各部分功能。 第五章是“双模双待终端电源管理测试结果及性能分析，主要介绍了对双模双 待终端硬件的改进、l c d 亮度调节、系统睡眠唤醒功能的实现思路、t d s c d m a 通信模块和c d m a 2 0 0 0 通信模块的电源管理，并给出测试结果和性能分析。 第六章是“总结与展望 ，对全文作出小结，并对本领域未来工作进行展望。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章电源管理技术策略研究 第二章电源管理技术策略研究 2 1 电源管理技术基本原理 电子电路的总能耗是活动能耗和静态能耗之和。活动能耗是在电子电路工作或 逻辑状态转换时发生的。而静态能耗是由晶体管漏电流产生的。电子电路的功率计 算公式如下： p = c x 吆z + 易 ( 2 1 ) 式中c 为电容，z 为时钟频率，屹为电源电压，易为漏电流。c x 吆z 为活 动能耗，厶为静态能耗。从软件的角度看，晶体管漏电是不可控的，因此，在 系统级的动态电源管理的设计和实现中，我们以控制活动能耗为重点 8 1 。 从( 2 1 ) 式可以得出以下两种管理活动能耗的方法： 时钟通选和调节。当停止电路时钟时，即正= 0 ，根据( 2 1 ) 式的计算，活动 能耗为o 。根据这个方法，可将暂时不使用的电路模块的时钟关闭和降低，以减少 整个系统的活动能耗。当前，支持动态变频设备开始出现，这种电源管理方法将在 将来得到广泛的使用。 电压供应选通和调节。根据( 2 1 ) 式，如果电路模块的电压为0 ，则活动能耗 和静态能耗都为0 ，电路模块处于最低能耗状态。根据这个方法，可将暂时不使用 的电路模块的电压供应切断或降低工作电压，以达到节能的目的。 根据( 2 1 ) 式，我们可以看到，降低电压比降低时钟频率对降低活动能耗产生 的效果更为明显。电压下降为原来的1 2 时，活动能耗则降低为原来的1 4 ，而同样 将时钟频率降低为原来的1 2 时，活动能耗只降低为原来的1 2 。因此，在动态电源 管理中，选择满足电子系统所有电路模块最低要求的电压，对于降低系统能耗起到 了至关重要的作用。 电源管理在电路模块空闲时降低或关闭电路模块的电压和频率，但无论是调节 电压或者频率，都会引起额外的电能消耗，甚至比正常工作的能耗还要高，这就对 何时对状态进行正确的切换提出了要求，图2 1 描述的是在无动态电源管理、最优 动态电源管理策略及不理想动态电源管理策略下的电能消耗情况。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章电源管理技术策略研究 广 i ( c ) 图2 1 动态电源管理策略对能耗的影响( a ) 为无动态电源管理策略 ( b ) 为理想的动态电源管理策略( c ) 为不理想的动态电源管理策略 图2 1 中( a ) 曲线为不采用动态电源管理技术的电路模块的能耗情况，可以看 出，无论电路模块处于r u n 或i d l e 状态，其能耗不变，保持较高的水平。( b ) 曲 线为采用较理想的动态电源管理技术的电路模块的能耗情况，可以看出，其在两个 较长的i d l e 区间内将电路模块置于节能状态下，而当较短的i d l e 区间到来时，并不 进行电能状态切换，这是因为电能状态切换有一定的开销，如果为了一个很短的节 能区间而进行两次电能状态切换，反而会浪费更多的电能，得不偿失。( c ) 曲线为 采用不理想的动态电源管理技术的电路模块的能耗情况，可以看出，其在第二个较 长的i d l e 区间到来时，并没有进行电能状态的切换将电路模块置于节能状态，而在 第三个较短的i d l e 区间到来时进行电能状态切换，而且由于i d l e 区间过短，在新任 务到来时，从节能状态切换回原始状态时发生了时延，影响了性能。 我们可以看出，动态电源管理最重要的组成部分就是选择一个合适的动态电源 管理策略，实时地进行电能状态切换，并在最小的性能损失的前提下达到节能的效 果。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章电源管理技术策略研究 2 2 动态电源管理算法介绍 目前，国际上有很多动态电源管理算法，但是，基本上可以分为三类：( 1 ) 基 于t i m e o u t 算法。( 2 ) 预测算法。( 3 ) 随机控制算法。 ( 1 ) 基于t i m e o u t 算法 基于t i m e o u t 算法由于其简单性，是所有算法中最为常用的算法。被使用在处 理器、显示器、硬盘等的电源管理策略上。t i m e o u t 值既可以是固定的，也可以是 动态变化的。一个有效的t i m e , o u t 算法的t i m e o u t 值必须大于这样一个i d l e 区间的 长度其电能状态切换所能节约的电能能够补偿电能状态切换所消耗的额外电能 9 1 ，用数学公式表达就是： t e p ( 2 2 ) t 表示最小的t i m e o u t 值，e 为电能状态切换所消耗的电能，p 表示在i d l e 状态 的功率。算法的思路为：当i d l e 时段开始后，启动一个计时器，如果新任务在t 时 间到达之间到来，则不进行电能状态切换，否则，如果系统经过t 时间后还处在i d l e 状态，则进行电能状态切换，将其置于节能模式，直到新任务到来，再将其电能状 态切换为原来的工作状态来处理任务。 静态t i m e o u t 算法是使用一个确定的t i m e o u t 值，而一些自适应的t i m e o u t 算法 则根据过去的i d l e 区间发生的历史情况动态的修改t i m e o u t 值。t i m e o u t 算法有两 个突出的优点：( 1 ) 其实现与负载无关。( 2 ) 改变t i m e o u t 阀值就能改变性能。 然而，其也有相应的缺点，在进入i d l e 区间开始计时直到t i r n e o u t 到达时，加大了 功率损耗。而且在进行电能状态切换时有延时，导致性能损失。因此提出了t i m e o u t 算法的改进算法。如预关断算法，通过对系统过去的i d l e 区间的观察，在i d l e 区间 开始时就进行电能状态切换，来减少在t i m e o u t 等待时间中浪费的电能；预启动算 法则用来改善从低能耗状态切换回高能耗状态时产生延迟以及性能降低的缺点。 s r i v a s t a v a 提出了一个预关断算法【1 0 l ，其基本思想是，通过预测i d l e 区间的长度， 如果发现其长度足够长，使得进行电能状态切换所节省的电能足够补偿进行电能状 态切换所耗费的额外电能，则在i d l e 区间的起始位置就进行电能状态切换，来节省 t i m e o u t 等待时间中浪费的电能。他是通过回归分析使各个i d l e 区间和b u s y 区间之 间相互联系，回归等式如下： = 【k ( 甩) ，砬( n - i ) ，他伽一2 ) ，胛 n - i ) ，一1 - 1 ) 】 ( 2 3 ) n n - 1 ，表示己经经历的i d l e 区间和b u s y 区间，n 为当前的i d l e 区间，如果 l 耐 t ，则在i d l e 区间一开始就进行电能状态切换。 其不足之处是： 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章电源管理技术策略研究 1 ) 其分析是基于离线分析，因此不适用于随机发生的请求序列； 2 ) 需要进行离线数据采集和分析； 3 ) 在离线分析后需要人为的建立回归模型； 所有的预关断算法都有一定的局限性。首先，由于采用的是关断而不是降低能 耗，因此他们不能用在支持多种低能耗状态的电路模块上；他们不能准确地折衷电 能节省与性能损失及延迟。 预启动算法的基本思想是通过预测i d l e 区间长度，在i d l e 区间快结束前提前进 行电能状态切换，以减少延迟和性能损失。如果预测出的i d l e 区间长度比实际值小， 则会浪费电能。k r i s h n a n 使用一个t i m e o u t 集合，其中每个t i m e o u t 值可以索引到 采用该值后的性能水平，从而在i d l e 区间中，预测出最优的切换时间，提前进行电 能状态切换。h e l m b o l d 1 1 】也是使用一个t i m e o u t 集合，并通过对过去i d l e 和b u s y 区间的离线分析，给每个t i m e o u t 值分配权值，实际采用的t i m e o u t 值是各t i m e o u t 的值的加权和平均。d o n g l i s 仅使用一个t i m e o u t 值，当发现该值引起过多的电能状 态切换时，则增大t i m e o u t 值。若系统允许更多的电能状态切换，则减小t i m e o u t 值。 ( 2 ) 预测算法 在现实设备上，将来的负载情况是未知的，固定阀值的算法是不合理且低效的。 我们要通过预测将来负载的情况来作出是否进行电能状态切换的判断依据。预测算 法的原理是通过学习过去负载的情况，对未来负载进行预测，在输入数据的特性和 当前系统性能的基础上动态地改变阀值，使系统性能得到优化。 如果为了分析过去负载的情况而保存大量历史数据，则会浪费很多内存或磁盘 空间，而且效率较低，不太现实。h w a n g 1 2 】提出了一个回归等式： 7 品耐( ，1 ) = 口乃曲( 刀一1 ) + ( 1 一口) z 剃( 刀一1 ) ( 2 4 ) 用来预测下一个i d l e 区间的长度。而且由于( ，1 ) 是o 一1 ) 和( n - 1 ) 的 加权和，因此通过调整a 的值，该算法能实现在线调整。 一个好的预测算法必须能够把预测失败的次数控制到最少。过预测会使得预测 的i d l e 区间长度大于实际值，因而造成性能损失；而预测不足使得预测的i d l e 区间 长度小于实际值，造成电能浪费。为了表示预测算法的预测质量，两个参数被引入： 安全系数，表示没有过预测的机率；效率系数，表示没有预测不足的机率。一个完 全安全的预测算法发生过预测的机率为0 ，而一个完全有效率的预测算法发生预测 不足的机率为o ，一个最优的预测算法的安全系数和效率系数的值相比较于其他预 测算法是最大的。 h w a n g 为了防止预测不足，在t i m e o u t 算法基础上，如系统仍然处在i d l e 区间 而且尚未关断，周期性重新预测乙( 疗) 值。为了防止过预测，则附加了如下的饱和 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章电源管理技术策略研究 条件来避免【1 2 1 ： ( 刀) 叫! 兰兰兰兰 窆：致l 一 星l ! 主 一一 电源管理器接受到这个请求l 向设备发送i o c t l p o w e r s e t 驱动接l l 殳i o c n ，p o w e r s e t 状态发生改变 图4 4 驱动程序使用d e v i c e p o w e r n o t i f y 函数的流程图 电源管理使用下面的i o c t l 码与设备进行通信，电源管理的设备控制i o c t l 及其功能描述见表4 1 ： 表4 1 电源管理的设备控制i o c t l 及其功能描述 i o c t l描述 i o c t u o w e r c a p a b i l i t i e s 代表电源管理模块请求设备驱动返回 设备支持的电源状态 i o c t l _ p o w e r s e t请求驱动刷新设备的电源状态 i o c t u o w e r _ q u e r y 电源管理模块询问设备是否准备好进 行电源状态转换 i o c t u o w e r g e t 请求驱动返回当前设备的电源状态 i o c t l _ r e g i s t e r - ，o w e rr e l a t i o n s h i p要求父设备注煅所有它所控制的设各 重庆邮电大学硕士论文第四章双模双待终端电源管理软件架构 驱动程序到电源管理a p i 见表4 2 ： 电源管理模块提供如下函数，使驱动程序向模块发出请求： 表4 2 驱动程序到电源管理a p i 及其功能描述 功能描述 d e v i c e p o w e r n o t i f y驱动请求电源管理模块向其发出更新电源状态的命令 r e g i s t e r p o w e r r e l a t i o n s h i p 当总线驱动或者代理电源管理器要截获驱动与电源管 理模块之间的i o c t l 命令字时，应当调用此函数，也 就是说，该设备的电源管理被代理了 r e l e a s e p o w e r r e l a t i o n s h i p 结束前一函数设备的电源管理代理关系 4 2 2 应用程序接口 w i n d o w sc e 的电源管理模型允许应用程序通过a p i 接收电源事件的提醒，获得 设备的电源状态等。 g e t s y s t e m p o w e r s t a t e 函数用来表示返回当前系统电源状态的名字和标志， 相关的p o w e r - s t a t e x x x 标志在p m h 头文件中定义。 g e t d e v i c e p o w e ra p i 返回给定设备名的设备的当前电源状态。 s e t s y s t e m p o w e r s t a t e 函数可被o e m 应用程序调用，从w i n d o w sc e n e t 开 始，默认的电源管理器实现不允许应用程序任意进行系统电源状态改变。 s e t d e v i e e p o w e r 函数用来设置设备电源状态。o e m 应用程序可使用此a p i 。 其他应用程序应避免调用此a p i ，因为它会限制高级自管理设备的发挥，还 会覆盖电源管理器标准的设备状态。应用程序可以调用 s e t p o w e r r e q u i r e m e n t 。 s e t p o w e r r e q u i r e m e n t 用来请求电源管理器对某个设备作最小的维护，或者 说底( f l o o r ) 维护。如果多个要求同时起作用，电源管理器将选择最高( 耗 电最多) 的基底。 r e l e a s e p o w e r r e q u i r e m e n t 用来释放以前对某个设备的电源要求。 应用程序接口介绍： 电源管理提供了很多函数，允许应用程序去影响系统和设备电源管理。在a p i 列表中，只建议 g e t s y s t e m p o w e r s t a t e 、s e t p o w e r r e q u i r e m e n t 和 r e l e a s e p o w e r r e q u i r e m e n t 使用在应用程序中，因为他们不会和系统以及驱动的电源 管理相冲突。下表4 3 是设备电源管理函数： 重庆邮电大学硕士论文 第四章双模双待终端电源管理软件架构 表4 3 设备电源管理函数及其功能描述 函数描述 g e t s y s t e r r l p o w e r s t a t e 返回系统当前有效电源状态 s e t s y s t e m p o w e r s t a t e 将电源状态设置到指定的级别 s e t p o w e r r e q u i r e m e n t 通知电源管理模块，该应用程序需要将设备设置 在特殊的电源状态下，这样，特定设备的电源状 态就不会随系统电源状态的改变而改变 r e l e a s e p o w e r r e q u i r e m e n t撤销s e t p o w e r r e q u i r c m e n t 设置的特定设备的电源 状态要求 g e t d e v i c e p o w e r返回设备目前电源状态 s e t d e v i c e p o w e r设置特定设备的电源状态 4 2 3 提醒接口 电源管理器的提醒接口用来提醒应用程序和驱动程序得到电源事件。 具体操作步骤： 应用程序首先通过c r e a t e m s g q u e u e 函数建立消息队列。 然后将消息队列中的句柄通过调用r e q u e s t p o w e r n o t i f i c a t i o n s 函数传给电源 管理器。 电源管理器将提醒发送到消息队列中，每项都是一个格式化好的 p o w e r - b r o a d c a s t 结构体。 电源管理提供一个a p i 设置，这个a p i 应用程序允许应用程序接收电源相关事 件的提醒，并且准备系统电源状态的改变，这些a p i 如下表4 4 所示： 表4 4 电源管理提供的提醒接口a p i 函数及其功能描述 函数 描述 r e q u e s t p o w e r n o t i f i e a t i o n s 请求电源管理发送电源事件提醒信息 s t o p p o w e r n o t i f i c a t i o n s 取消通过r e q u e s t p o w e r n o t i f i c a t i o n s 建立 的提醒请求 当前版本支持的提醒见下表4 5 所示： 重庆邮电大学硕士论文 第四章双模双待终端电源管理软件架构 表4 5 电源管理支持的提醒事件及其功能描述 提醒描述 p b t r e s u m系统从休眠中唤醒 p b t - p o w e r s t a t u s c h a n g e系统电源在a c 和d c 之间进行切换 p b t - t ra n s i t i o n 系统电源状态改变 p b t - p o w e r i n f o c h a n g e 电池等级信息改变 如果调用者希望停止接受电源提醒时，可以调用s t o p p o w e r n o t i f i c a t i o n s 来实现。 并把r e q u e s t p o w e r n o t i f i c a t i o n s 返回的句柄作为一个参数。 4 3 电源状态 在w i n d o w sc e 中，系统电源状态和设备电源状态是两个不同的状态，他们之 间既互相独立而又具有某种关系。 电源管理希望所有被管理的设备支持一种或多种设备电源状态。设备电源状态 数量是有限的，并且设备必须将他们的电源消耗特征通知电源管理，设备电源状态 通常用功能去换取电源的消耗量。 在被o e m 定义的系统电源状态范围里，电源管理去管理设备状态。系统电源 状态在注册表里面被定义，系统电源状态利用设备电源状态的上限。 应用程序需要设备电源被维持在某个水平上，例如，当音乐正在播放时，一个 流音频应用程序可能需要它的网卡和音频解码器保持电源状态处于高级别上。一个 流视频应用程序可能需要网络和音频，并且它希望保持显示屏处于节能模式和保持 显示屏背光打开。使用s e t p o w e r r e q u i r e m e n t 和r e l e a s e p o w e r r e q u i r e m e n ta p i s ，应 用程序能够请求电源管理设置最低设备电源状态需求。 4 3 1 设备电源状态 设备电源状态是预先设定，w i n d o w sc e 提供5 种预定义的设备电源状态。它们 在注册表中也有相应的键，如表4 6 所示。 表4 6 设备电源状态和描述 设备电源状态注册表键描述 f u l l o n d o 电源完全开启 重庆邮电大学硕士论文 第四章双模双待终端电源管理软件架构 l o w o nd 1在低电源或低性能下提供完全功能 s t a n d b y d 2部分供电，等待唤醒请求 s l e e p d 3睡眠，提供唤醒地最小电源 o f fd 4未供电 如表4 6 所示，高数字的状态比低数字的状态消耗更低的电能。例如，d 3 ( 3 ) 比d 2 ( 2 ) 的数字高，但是d 3 消耗的电能比d 2 要低。唯一必需的状态是d o 状态， 须完全开启：所有其它状态都是可选的。从用户的观点看，d o 和d 1 状态都是让所 有功能工作。 设备驱动程序把这5 种预定义的状态映射为对设备有意义的状态。电源管理器 在每个设备驱动程序被加载时发送请求，来得到此设备所支持的电源状态。如果可 能，则驱动程序应该在设备加载时把设备的电源状态置为d o ，并在卸载时把它置为 d 4 。如果电源管理器请求把一个设备置为一个它不支持的状态，那么驱动程序应该 把设备的电源状态置为稍高的支持状态，例如，如果不支持d 2 ，那么驱动程序可把 设备状态置为d 3 或d 4 。如果一个设备在开启时需要进入另外的设备电源状态，则 在电源管理器向设备驱动发出i o c t l ( i o c t l _ p o w e r c a p a b i l i t i e s ) 后。设备 驱动将向电源管理器发出d e v i e e p o w e r n o t i f y 命令更改当前状态的请求。 4 3 2 系统电源状态 o e m ( o f i g i n a le q m p m e mm a n u f a c t u r e r ，原始设备生产商) 定义了系统电源状态， 这些名字是由o e m 任意定义的。它们的描述在注册表中，其状态间的转变可在硬 件平台上以任何合理的方式发生。这些变化可作为一个o e m 事件，例如插拔电源 或从a c 电源转到电池电源。这些转换也可通过o e m 的应用程序或者调用s e t s y s t e m p o w e r s t a t e o i 墨i 数而发生。在c o m m o n r e g 文件中，定义了默认的系统电源状态。 w i n d o w sc e 中的示例电源管理器支持o n 、u s e r l d l e 、s y s t e m l d l e 、s u s p e n d 、 c o l d r e b o o t 和r e b o o t 作为系统电源状态。下表4 7 系统电源状态。 表4 7 系统电源状态 系统电源状态 描述 o n 用户正在使用系统 u s e r l d l e用户与设备停止交互，但是有